表面粗化对GaN基垂直结构LED出光效率的影响

用加热后的KOH水溶液腐蚀GaN材料的N极性面,用以提高GaN基垂直结构发光二极管(LED)的出光效率。经过湿法腐蚀后,构成N极性面的表面晶粒尺寸和密度成为影响垂直结构LED提取效率的主要因素,通过分析不同腐蚀条件下晶粒尺寸和密度与出光效率间的关系,得到最优化的粗化条件,使得器件的提取效率达到最佳。经由浓度为30%、温度为60℃的KOH溶液腐蚀后,未封装的垂直结构LED芯片的提取效率增加了近1倍。     

正装、倒装结构GaN 基LED提取效率分析

从几何和物理光学角度分析了影响GaN基LED提取效率的因素,并以理论分析为基础,利用Monte-Carlo光线追踪的方法,对GaN基LED的提取效率进行模拟,比较不同器件结构对LED提取效率的影响.模拟结果表明,采用倒装结构可以显著提高GaN基LED的提取效率,Ni/Au透明电极透射率为0.6～0.9时,相对于普通正装结构,倒装结构可以使LED提取效率提高39%～16%.     

大功率GaN基LED的提取效率

影响GaN基LED效率的主要因素是内量子效率和提取效率.蓝光GaN基的LED内量子效率可达70%以上,紫外GaN基LED可达80%,进一步改善的空间较小.而传统大面积结构GaN基LED由于全反射和吸收等原因,外提取效率只有百分之几,提高空间很大.本文从几何和物理光学角度分析了影响GaN基LED外提取效率的因素,针对全反射、吸收、横向光波导等问题总结了现有的各种提高GaN基LED提取效率的手段及其优缺点.     

大功率GaN基LED的提取效率

影响GaN基LED效率的主要因素是内量子效率和提取效率. 蓝光GaN基的LED内量子效率可达70%以上， 紫外GaN基LED可达80%，进一步改善的空间较小. 而传统大面积结构GaN基LED由于全反射和吸收等原因，外提取效率只有百分之几，提高空间很大. 本文从几何和物理光学角度分析了影响GaN基LED外提取效率的因素，针对全反射、吸收、横向光波导等问题总结了现有的各种提高GaN基LED提取效率的手段及其优缺点.     

大功率GaN基LED的提取效率

影响GaN基LED效率的主要因素是内量子效率和提取效率.蓝光GaN基的LED内量子效率可达70%以上,紫外GaN基LED可达80%,进一步改善的空间较小.而传统大面积结构GaN基LED由于全反射和吸收等原因,外提取效率只有百分之几,提高空间很大.本文从几何和物理光学角度分析了影响GaN基LED外提取效率的因素,针对全反射、吸收、横向光波导等问题总结了现有的各种提高GaN基LED提取效率的手段及其优缺点.     

垂直电极结构GaN基发光二极管的研制

利用激光剥离技术(LLO)和晶片键合技术将GaN基发光二极管(LED)薄膜与蓝宝石衬底分离并转移到Si衬底上,高分辨X射线衍射(HRXRD)和阴极荧光谱(CL)结果表明激光剥离过程没有影响GaN量子阱的结构和光学性质,GaN和InGaN/GaN多量子阱的发光峰都呈现红移,这都来源于去除蓝宝石后薄膜中应力的释放.采用金属In和Pd的合金化键合过程解决了GaN材料与Si衬底的结合问题,结合逐个芯片剥离和键合的方式实现了GaN大面积均匀转移.成功研制了激光剥离垂直电极结构的GaN基LED,L-I测试特性表明器件的热饱和电流和出光功率都有很大的提高.     

ZnO微纳结构对GaN基LED光提取效率的影响研究

基于时域有限差分法(FDTD)在GaN基LED表面分别生长了 ZnO柱状与锥状微纳结构,并利用Rsoft模拟仿真软件分析了两种结构的几何参量(排列周期p、高度H、底面直径D等)对GaN基LED光提取效率的影响.结果表明两种结构均可提高器件的光提取效率,柱状结构在H=0.25 μm,p=1.5 μm,D=0.9μm时表现最优,其光提取效率是未加任何结构平板LED的5.6倍;而锥状结构在H=0.6μm,p=1.4 μm,D=1.4 μm时表现最优,其光提取效率是未加任何结构平板LED的5.3倍.研究结果对高性能GaN基LED的设计与制备具有一定指导意义.     

高亮度GaN基蓝色LED的研究进展

超高亮度GaN基蓝色LED的发展将会引起照明技术的一场革命，它是目前全球半导体领域研究和投资的特点。本文综合分析了GaN材料的特性及相应的材料生长和欧姆接触、刻蚀工艺等关键技术，并对GaN基蓝色LED器件的进一步改进及应用前景作了展望。     

垂直结构LED和倒装结构LED的发光特性研究

研究了1.16 mm GaN基蓝光芯片的垂直封装结构LED和倒装封装结构LED在驱动电流达到和超过工作电流350mA的发光特性和变化趋势.随着驱动电流的逐渐增大,与垂直结构LED相比,倒装结构LED光通量的饱和电流值增加350mA,在1 200 mA电流时的光通量高出25.9％,色温的异常电流值增加了400 mA,发光效率平均提高81 m/W.实验结果表明,倒装结构LED具有更高的抗大电流冲击稳定性和光输出性能,可有效提高LED在实际应用中使用寿命.     

GaN基LED电流分布的模拟

采用Silvaco软件,利用二维有限元方法,仿真得到LED的电学等特性。比较3种不同尺寸的LED器件内的电流分布,得到电流密度与L的关系曲线,发现减小电流扩展长度L可提高电流的均匀性。模拟了5种不同电极结构的1 mm×1 mm功率LED,发现五插指电极结构的电流分布最均匀。     

垂直结构GaN基LEDs热压键合应力损伤分析

热压键合是垂直结构LED制备的关键工艺步骤,通过TEM,PL,Raman等测试手段,探讨热压键合造成的应力损伤、GaN材料缺陷、LED内量子效率以及反向漏电间的内在联系,研究以键合引起的应力诱导垂直结构GaN基LED光电特性的退化机制,探讨应力损伤对垂直结构GaN基LED光电特性的影响.实验结果表明,热压键合过程会在GaN材料内产生GPa量级的残余应力,在量子限制strark效应作用下,GaN材料辐射复合效率发生明显退化;同时热压键合应力还会诱发GaN材料位错密度的增加,最终导致LED反向漏电增大.     

GaN基不同电极形状的LED性能比较

对前期工作中使用Crosslight APSYS软件模拟的6种优化电极的GaN基InGaN/GaN多量子阱蓝光LED芯片进行试制并测试分析,将实验结果与软件模拟结果进行比较,并进行可靠性分析。结果表明,优化电极的实验结果和软件模拟结果基本吻合,优化电极的光学、电学等特性的确有明显改善,芯片出光效率也有提升。对称型指形在光通量、光效和电压(电流为20 mA)等方面在这6种电极中最优;旋转形电极的寿命在预测中最高,为37 000 h,对称型指形位居第二;老化对优化电极的影响与未优化电极相差不多,所以综合考虑,对称型指形的性能最优。     

垂直结构GaN基LEDs电流分布计算分析

电流分布是影响大功率LEDs器件性能的重要因素,与传统结构GaN基器件比较,垂直结构器件通过采用上下电极分布,明显改善了LEDs器件内部电流分布均匀性。通过理论分析与数值计算,建立起了垂直结构GaN基LEDs电流分布模型,研究了垂直结构GaN基LEDs电流分布及I-V特性。结果表明,与传统平面结构比较,垂直结构GaN基LEDs的电流分布均匀性得到了明显改善,同时正向电压降低约7%。最后,通过晶片键合与激光剥离技术,制备了垂直结构GaN基LEDs,测试结果表明,实验结果和理论计算值相吻合。该结果对GaN基LEDs器件的优化设计具有重要指导意义。     

利用平片蓝宝石衬底制备高功率垂直结构LED

在平片蓝宝石衬底上,通过引入AlN缓冲层,优化成核层与粗糙层的生长条件,生长出了表面平整的GaN薄膜,晶体质量得到显著提升。通过引入AlN缓冲层,将X射线衍射(XRD)下样品(002)面的半高宽(FWHM)由232″降低至148″;通过减薄成核层厚度、提升粗糙层生长压力,将样品(102)面和(100)面的FWHM分别由243″和283″降低至169″和221″。研究了不同成核层和粗糙层的生长参数对GaN薄膜表面形貌的影响,随着(102)面和(100)面FWHM的降低,表面平整度亦得到改善,粗糙度由约3.8 nm下降到约1.6 nm。利用优化后的底层条件生长了高质量GaN薄膜,在3.5 A/mm^2电流密度下,与参考样品相比,制备出的LED样品的光输出功率由863 mW提升至942 mW,提升了约9%。     

GaN基蓝光LED关键技术进展

以高亮度GaN基蓝光LED为核心的半导体照明技术对照明领域带来了很大的冲击,并成为目前全球半导体领域研究和投资的热点。本文首先综述了GaN基材料的基本特性,分析了GaN基蓝光LED制程的关键技术如金属有机物气相外延,P型掺杂,欧姆接触,刻蚀工艺,芯片切割技术,介绍了目前各项技术的工艺现状,最后指出了需要改进的问题,展望了末来的研究方向。     

High Light-Extraction GaN-Based Vertical LEDs With Double Diffuse Surfaces

High light-extraction (external quantum efficiency ~40%) 465-nm GaN-based vertical light-emitting diodes (LEDs) employing double diffuse surfaces were fabricated. This novel LED structure includes one top transmitted diffuse surface and another diffuse omnidirectional reflector (ODR) on the bottom of a LED chip. The diffusive ODR consists of a roughened p-type GaN layer, an indium-tin-oxide (ITO) low refractive index layer, and an Al layer. The surface of the p-type GaN-layer was naturally roughened while decreasing the growth temperature to 800 degC. After flip-bonding onto a Si substrate by AuSn eutectic metal and laser lift-off processes to remove the sapphire substrate, an anisotropic etching by dilute potassium hydroxide (KOH) was employed on the N-face n-GaN layer to obtain transmitted diffuse surfaces with hexagonal-cone morphology. The double diffused surfaces LEDs show an enhancement of 56% and 236% in light output power compared to single side diffused surface and conventional LEDs, respectively. The devices also show a low leakage current in the order of magnitude of 10 ^-8 A at -5 V and a calculated external quantum efficiency of about 40%. The high scattering efficiency of double diffused surfaces could be responsible for the enhancement in the device light output power     

Use of Elastic Conductive Adhesive as the Bonding Agent for the Fabrication of Vertical Structure GaN-Based LEDs on Flexible Metal Substrate

Through the use of elastic conductive adhesive (ECA) as the bonding agent and patterned laser lift-off technology, a flexible metal substrate technology for the fabrication of vertical structured GaN-based light-emitting diodes (flex-LEDs) was proposed and demonstrated. It showed that the flex-LEDs have negligible changes in dominant wavelength-current and light output intensity-current-voltage characteristics when subjected to an external bending stress, indicating that the ECA used in the present technology performed well as a buffer to external stresses. As compared with conventional sapphire substrate GaN-based LEDs, Flex-LEDs with a chip size of 600 x 600 mum² showed an increase in light output intensity (power) about 216% (80%) at 120 mA with an essential decrease in forward voltage from 3.51 to 3.3 V.     

Growth and Characterizations of GaN-Based LEDs Grown on Wet-Etched Stripe-Patterned Sapphire Substrates

The material and electrical properties of GaN-based light-emitting diodes (LEDs) grown on wet-etched stripe-patterned substrates were investigated. Footprint-like patterns, located directly above the inclined groove sidewalls, were found on the as-grown LED surface. Cross-sectional transmission electron microscopy (TEM) showed that ‘tumor’-like structures with poor crystal quality were initiated on the inclined sidewalls, seeding dislocation bundles in the subsequently grown crystal. The high dislocation density slowed down the growth above the inclined sidewall, resulting in the uneven morphology. The fabricated devices showed over 30% enhancement in light output power as a result of improvements in both internal and extraction efficiencies.     

具有栅介质电场屏蔽作用的新型GaN纵向槽栅MOSFET器件设计

基于氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)半导体的金氧半场效应晶体管(MOSFET)器件在关态耐压下,栅介质中存在与宽禁带半导体临界击穿电场相当的大电场,致使栅介质在长期可靠性方面受到挑战。为了避免在GaN器件中使用尚不成熟的p型离子注入技术,提出了一种基于选择区域外延技术制备的新型GaN纵向槽栅MOSFET,可通过降低关态栅介质电场来提高栅介质可靠性。提出了关态下的耗尽区结电容空间电荷竞争模型,定性解释了栅介质电场p型屏蔽结构的结构参数对栅介质电场的影响规律及机理,并通过权衡器件性能与可靠性的关系,得到击穿电压为1 200 V、栅介质电场仅0.8 MV/cm的具有栅介质长期可靠性的新型GaN纵向槽栅MOSFET。     

Cl_2/BCl_3ICP刻蚀GaN基LED的规律研究

研究了用Cl2/BCl3刻蚀GaN基LED中,工艺参数对GaN刻蚀速率、刻蚀侧壁和GaN与SiO2刻蚀选择比的影响。研究结果表明,刻蚀速率随着ICP功率和压强的增大先增大继而减小,随RF功率的增大单调增大;刻蚀选择比随ICP功率增大单调减小,随压强增大而增大。还研究了刻蚀速率和选择比与气体比例变化的关系。刻蚀SEM图表明,压强和RF功率增大会使刻蚀垂直度增大。